一、概述
虛擬現(xiàn)實技術又稱靈境技術，它是二十世紀末才興起的一門嶄新的綜合性信息技術，它融合了數(shù)字圖像處理、計算機圖形學、多媒體技術、傳感器技術等多個信息技術分支，從而大大推進了計算機技術的發(fā)展。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)就是要利用各種先進的硬件技術及軟件工具，設計出合理的硬件、軟件及交互手段，使參與者能交互式地觀察和操縱系統(tǒng)生成的虛擬世界。虛擬現(xiàn)實技術是目前計算機界比較熱門的一項技術。它是用計算機模擬的三維環(huán)境對現(xiàn)場真實環(huán)境進行仿真，用戶可以走進這個環(huán)境，可以控制瀏覽方向，并操縱場景中的對象進行人機交互。
從概念上講，任何一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)都可以用三個I來描述其特性，這就是沉浸(Immersion)、交互(Interaction)和想象(Imagination)。這三個I反映了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的關鍵特性，就是系統(tǒng)與人的充分交互，它強調人在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的主導作用。
有關專家預言，21世紀初，人類將迅速進入虛擬現(xiàn)實的嶄新技術時代。虛擬現(xiàn)實技術通過20多年的研究探索，于20世紀80年代末走出實驗室，開始進入實用化階段。目前，世界上少數(shù)發(fā)達國家在經濟、藝術乃至軍事等領域，已開始廣泛應用這種高新技術，并取得了顯著的綜合效益。
虛擬現(xiàn)實技術分虛擬實景(境)技術(如虛擬游覽故宮博物館)與虛擬虛景(境)技術(如虛擬現(xiàn)實環(huán)境生成、虛擬設計的波音 777飛機等)兩大類。虛擬現(xiàn)實技術的應用領域和交叉領域非常廣泛，幾乎到了無所不包、無孔不入的地步，在虛擬現(xiàn)實技術戰(zhàn)場環(huán)境，虛擬現(xiàn)實作戰(zhàn)指揮模擬，飛機、船舶、車輛虛擬現(xiàn)實駕駛訓練，飛機、導彈、輪船與轎車的虛擬制造(含系統(tǒng)的虛擬設計)，虛擬現(xiàn)實建筑物的展示與參觀，虛擬現(xiàn)實手術培訓，虛擬現(xiàn)實游戲，虛擬現(xiàn)實影視藝術等等方面的應用和產業(yè)的形成都有強烈的市場需求和技術驅動。虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，不僅從根本上改變人們的工作方式和生活方式，勞和逸將真正結合起來，人們在享受環(huán)境中工作，在工作過程中得到享受；而且虛擬現(xiàn)實技術與美術、音樂等文化藝術的結合，將誕生人類的第九藝術。隨著計算機技術的發(fā)展，在PC機上實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術已成為可能。
二、虛擬現(xiàn)實技術的設計目標
虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的設計要達到以下目標：
第一、要使參與者有真實的體驗。這種體驗就是沉浸或投入，即全心地進入，簡單地說就是產生在虛擬世界中的幻覺。理想的虛擬環(huán)境應達到用戶難以分辯真假的程度，甚至比真的還真。這種沉浸感的意義在于可以使用戶集中注意力。為了達到這個目標，就必須具有多感知的能力，理想的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應具備人類所具有的一切感知能力，包括視覺、聽覺、觸覺，甚至味覺和嗅覺。
第二、系統(tǒng)要能提供方便的、豐富的、主要是基于自然技能的人機交互手段。這些手段使得參與者能夠對虛擬環(huán)境進行實時的操縱，能從虛擬環(huán)境中得到反饋信息，也能便系統(tǒng)了解參與者的關鍵部位的位置、狀態(tài)、變形等各種系統(tǒng)需要知道的數(shù)據(jù)。實時性是非常重要的，如果在交互時存在較大的延遲，與人的心理經驗不一致，就談不上以自然技能的交互，也很難獲得沉浸感。為達到這個目標，高速計算和處理就必不可少。參與者在虛擬環(huán)境中的活動或者經歷有兩種形式，一種是主觀參與(First-person activities)，另一種是客觀參與(Second-personactivities)。主觀參與時，參與者是整個經歷的中心，一切圍繞參與者進行；客觀參與時參與者則可以在虛擬環(huán)境中看到他自己與其它物體的交互。
交互和沉浸是任何虛擬現(xiàn)實經歷的兩個實質性的特征，因此，根據(jù)虛擬現(xiàn)實應用的不同，即沉浸的程度，它可以分成不同的類別。早期的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可能只有部分虛擬現(xiàn)實的特性，例如環(huán)幕電影或立體電影。有的應用也不需要完全的沉浸和投入，例如增強現(xiàn)實系統(tǒng)。在實際應用中，不同虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)設計的側重點和所受約束各不相同。例如，受資金限制裝備不上最先進的硬件設備，或是硬件本身性能達不到要求，這樣系統(tǒng)的計算速度、交互手段可能要受到影響，此時只能從軟件上著手彌補缺陷，產生了許多基于軟件的技術，例如基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、虛擬仿真等。由于虛擬現(xiàn)實本身并不限制使用的技術范圍，只要能達到目標，可以把各種技術有效地集成起來設計出一個成功的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。三、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的體系結構
虛擬現(xiàn)實技術的體系結構分為分布式虛擬現(xiàn)實和非分布式虛擬現(xiàn)實兩種體系結構。
非分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)結構--真實用戶環(huán)境VUE(Veridical UserEnvironment),它是一個事件驅動、按照一組規(guī)則來處理并發(fā)事件的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，它將單個的虛擬世界分解成多個Client/Server 進程，這些進程可以在不同的處理器上執(zhí)行，并通過消息傳遞相互通信。系統(tǒng)包含3個VR部件：設備服務器(device servers)、應用進程(application processes--也作為一種服務器進程來管理)和會話管理DM(Dialogue Manager)。設備管理器管理輸入輸出設備；會話管理是設備服務器的客戶程序，同時又是應用進程的服務器，它定義了虛擬世界的交互規(guī)則，并協(xié)調和傳遞輸入設備服務器產生的事件到應用進程，然后將響應事件傳遞到輸出設備服務器，會話管理通過異步消息傳遞來與其他服務器通信，并按照規(guī)則傳遞事件。
分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是一個支持多人實時通過網(wǎng)絡進行交互的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，每個用戶在一個VR環(huán)境(真實感3D立體圖形，立體聲)中通過聯(lián)網(wǎng)的計算機與其他用戶進行交互。DVR的研究開發(fā)工作早在20世紀80年代處就開始了，近年來網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展更進一步推進了DVR的研究和開發(fā)。
1)分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的特征
DVR系統(tǒng)應該具有以下個方面的特征：
　?、俟蚕淼奶摂M工作空間；
　?、趥螌嶓w的行為真實感；
　?、壑С謱崟r交互，共享時鐘；
　?、芏鄠€用戶以多種方式相互通信；
　　⑤資源信息共享以及允許用戶自然操作環(huán)境中對象。
　　2)分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的需求
DVR系統(tǒng)有4個基本組成部件：圖形顯示器、通信和控制設備、處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。DVR系統(tǒng)是分布式系統(tǒng)和VR系統(tǒng)的有機結合，其需求可從以下兩個方法來闡述：VR本身需求和分布式系統(tǒng)的需求。
VR 需求分布式系統(tǒng)需求：
多種形式的繪制（圖形、聲音和文字等）命令服務
低延遲，高更新速率需求——服務配置
處理多種輸入設備的能力資源查找及定位
碰撞檢測數(shù)據(jù)的分布存貯
導航和視點控制動態(tài)負載平衡
虛擬世界構造設施安全性管理
場景數(shù)據(jù)庫管理多播通信
復雜行為建模連續(xù)媒體支持 VR最本質的特征用戶對虛擬場景的沉浸，根據(jù)用戶參與VR的不同形式以及沉浸的程度不同，我們可以把各種類型的虛擬現(xiàn)實技術劃分四類：
1) 桌面級的虛擬現(xiàn)實
桌面虛擬現(xiàn)實利用個人計算機和低級工作站進行仿真，計算機的屏幕用來作為用戶觀察虛擬境界的一個窗口，各種外部設備一般用來駕馭虛擬境界，并且有助于操縱在虛擬情景中的各種物體。這些外部設備包括鼠標，追蹤球，力矩球等。它要求參與者使用位置跟蹤器和另一個手控輸入設備，如鼠標，追蹤球等，坐在監(jiān)視器前，通過計算機屏幕觀察360度范圍內的虛擬境界，并操縱其中的物體，但這時參與者并沒有完全投入，因為它仍然會受到周圍現(xiàn)實環(huán)境的干擾。桌面級的虛擬現(xiàn)實最大特點是缺乏完全投入的功能，但是成本也相對低一些，因而，應用面比較廣。常見桌面虛擬現(xiàn)實技術有：
基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實技術：這種技術不采用傳統(tǒng)的利用計算機生成圖像的方式，而采用連續(xù)拍攝的的圖像和視頻，在計算機中拼接以建立的實景化虛擬空間，這使得高度復雜和高度逼真的虛擬場景能夠以很小的計算代價得到，從而使得虛擬現(xiàn)實技術可能在PC平臺上實現(xiàn)。
VRML(虛擬現(xiàn)實造型語言)：它是一種在Internet網(wǎng)上應用極具前景的技術，它采用描述性的文本語言描述基本的三維物體的造型，通過一定的控制，將這些基本的三維造型組合成虛擬場景，當瀏覽器瀏覽這些文本描述信息時，在本地進行解釋執(zhí)行，生成虛擬的三維場景。VRML的最大特點在于利用文本描述三維空間，大大減少了在Internet網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而使得需要大量數(shù)據(jù)的虛擬現(xiàn)實得以在Internet網(wǎng)上實現(xiàn)。
桌面CAD系統(tǒng)：利用Open GL、DirectDraw等桌面三維圖形繪制技術對虛擬世界進行建模，通過計算機的顯示器進行觀察，并有能自由地控制的視點和視角。這種技術在某種意義上來說也是一種虛擬現(xiàn)實技術，它通過計算機計算來生成三維模型，模型的復雜度和真實感受桌面計算機計算能力的限制。
2) 投入的虛擬現(xiàn)實
高級虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供完全投入的功能，使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺。它利用頭盔式顯示器或其它設備，把參與者的視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，并提供一個新的、虛擬的感覺空間，并利用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、其它手控輸入設備、聲音等使得參與者產生一種身在虛擬環(huán)境中、并能全心投入和沉浸其中的感覺。常見的沉浸式系統(tǒng)有：
基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)：在這種系統(tǒng)中，參與虛擬體驗者要戴上一個頭盔式顯示器，視聽覺與外界隔絕，根據(jù)應用的不同，系統(tǒng)將提供能隨頭部轉動而隨之產生的立體視覺、三維空間。通過語音識別、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)服裝等先進的接口設備，從而使參與者以自然的方式與虛擬世界進行交互，如同現(xiàn)實世界一樣。這是目前沉浸度最高的一種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。
投影式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)：它可以讓參與者從一個屏幕上看到他本身在虛擬境界中的形象，為此，使用中電視技術中的鍵控的技術，參與者站在某一純色(通常為蘭色)背景下，架在參與者前面的攝像機捕捉參與者的形象，并通過連接電纜，將圖像數(shù)據(jù)傳送給后臺處理的計算機，計算機將參與者的形象與純色背景分開，換成一個虛擬空間，與計算機相連的視頻投影儀將參與者的形象和虛擬境界本身一起投射到參與者觀看的屏幕上，這樣，參與者就可以看到他自己在虛擬空間中的活動情況。參與者還可以與虛擬空間進行實時的交互，計算機可識別參與者的動作，并根據(jù)用戶的動作改變虛擬空間，比如來回拍一個虛擬的球或走動等，這可使得參與者感覺就象是在真實空間中一樣。
遠程存在系統(tǒng)：遠程存在系統(tǒng)是一種虛擬現(xiàn)實與機器人控制技術相結合的系統(tǒng)，當某處的參與者操縱一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)時，其結果卻在另一個地方發(fā)生，參與者通過立體顯示器獲得深度感，顯示器與遠地的攝像機相連；通過運動跟蹤與反饋裝置跟蹤操作員的運動，反饋遠地的運動過程(如阻尼、碰撞等)，并把動作傳送到遠地完成。
3) 增強現(xiàn)實性的虛擬現(xiàn)實
增強現(xiàn)實性的虛擬現(xiàn)實不僅是利用虛擬現(xiàn)實技術來模擬現(xiàn)實世界、仿真現(xiàn)實世界，而且要利用它來增強參與者對真實環(huán)境的感受，也就是增強現(xiàn)實中無法感知或不方便感知感受。這種類型虛擬現(xiàn)實典型的實例是戰(zhàn)機飛行員的平視顯示器，它可以將儀表讀數(shù)和武器瞄準數(shù)據(jù)投射到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，它可以使飛行員不必低頭讀座艙中儀表的數(shù)據(jù)，從而可集中精力盯著敵人的飛機和導航偏差。
4)分布式虛擬現(xiàn)實
如果多個用戶通過計算機網(wǎng)絡連接在一起，同時參加一個虛擬空間，共同體驗虛擬經歷，那虛擬現(xiàn)實則提升到了一個更高的境界，這就是分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。目前最典型的分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是作戰(zhàn)仿真互聯(lián)網(wǎng)和SIMNET，作戰(zhàn)仿真互聯(lián)網(wǎng)(Defense Simulation Internet， DSI)是目前最大的VR項目之一。該項目是由美國國防部推動的一項標準，目的是使各種不同的仿真器可以在巨型網(wǎng)絡上互聯(lián)，它是美國國防高級研究計劃局1980年提出的SIMNET計劃的產物。SIMNET由坦克仿真器(Cab類型的)通過網(wǎng)絡連接而成，用于部隊的聯(lián)合訓練。通過SIMNET，位于德國的仿真器可以和位于美國的仿真器一樣運行在同一個虛擬世界，參與同一場作戰(zhàn)演習。